בשל הצמיחה המהירה של התעשייה, תגובות קטליטיות הופכות מבוקשות יותר ויותר בייצור כימי, הנדסת מכונות ומטלורגיה. הודות לשימוש בזרזים, ניתן להפוך חומרי גלם בדרגה נמוכה למוצר בעל ערך.
משמעות
תגובות קטליטיות נבדלות על ידי מגוון הסוכנים שבהם נעשה שימוש. בסינתזה אורגנית, הם תורמים להאצה משמעותית של דהידרוגנציה, הידרוגנציה, הידרציה, חמצון ופילמור. הזרז יכול להיחשב כ"אבן חכמים" שהופכת חומרי גלם למוצרים מוגמרים: סיבים, תרופות, כימיקלים, דשנים, דלקים, פלסטיק.
תגובות קטליטיות מאפשרות להשיג מוצרים רבים, שבלעדיהם חיים נורמליים ופעילות אנושית בלתי אפשרית.
Catalysis מאפשר לך להאיץ תהליכים פנימהאלפי ומיליוני פעמים, וזו הסיבה שהוא נמצא כיום בשימוש ב-91% מהתעשיות הכימיות השונות.
עובדות מעניינות
תהליכים תעשייתיים מודרניים רבים, כמו סינתזה של חומצה גופרתית, יכולים להתבצע רק באמצעות זרז. מגוון רחב של סוכנים קטליטיים מבטיח יצירת שמני מנוע לתעשיית הרכב. בשנת 1900, לראשונה בקנה מידה תעשייתי, בוצעה סינתזה קטליטית של מרגרינה מחומרי גלם צמחיים (על ידי הידרוגנציה).
מאז 1920 פותח מנגנון לתגובות קטליטיות בייצור סיבים ופלסטיק. אירוע ציון דרך היה ייצור קטליטי של אסטרים, אולפינים, חומצות קרבוקסיליות, כמו גם חומרי מוצא אחרים לייצור תרכובות פולימריות.
זיקוק נפט
מאז אמצע המאה הקודמת נעשה שימוש בתגובות קטליטיות בזיקוק נפט. העיבוד של משאב טבע יקר ערך זה כרוך בכמה תהליכים קטליטיים בו-זמנית:
- reforming;
- cracking;
- hydrosulfonation;
- polymerization;
- hydrocracking;
- alkylation.
מאז סוף המאה הקודמת, ניתן היה לפתח ממיר קטליטי להפחתת פליטת הפליטה לאטמוספירה.
כמה פרסי נובל הוענקו על עבודה בקטליזה ותחומים קשורים.
רלוונטיות מעשית
תגובה קטליטית היא כל תהליך הכולל שימוש במאיצים (זרזים). כדי להעריך את המשמעות המעשית של אינטראקציות כאלה, אפשר להביא כדוגמה את התגובות הקשורות לחנקן ולתרכובות שלו. מכיוון שכמות זו מוגבלת מאוד באופייה, יצירת חלבון מזון ללא שימוש באמוניה סינתטית היא מאוד בעייתית. הבעיה נפתרה עם פיתוח התהליך הקטליטי של הבר-בוש. השימוש בזרזים מתרחב כל הזמן, מה שמאפשר להגביר את היעילות של טכנולוגיות רבות.
ייצור אמוניה
בואו נשקול כמה תגובות קטליטיות. דוגמאות מכימיה אנאורגנית ניתנות על בסיס התעשיות הנפוצות ביותר. סינתזה של אמוניה היא תגובה אקסותרמית, הפיכה, המאופיינת בירידה בנפח החומר הגזי. התהליך מתרחש על זרז, שהוא ברזל נקבובי בתוספת תחמוצת אלומיניום, סידן, אשלגן, סיליקון. זרז כזה פעיל ויציב בטווח הטמפרטורות של 650-830K.
לשלוח אליו באופן בלתי הפיך תרכובות גופרית, במיוחד פחמן חד חמצני (CO). במהלך העשורים האחרונים, הודות להכנסת טכנולוגיות חדשניות, הלחץ הופחת משמעותית. לדוגמה, נוצר ממיר המאפשר להוריד את מחוון הלחץ ל-8106 - 15106 Pa.
מודרניזציה של המעגל הקדמי הפחיתה משמעותית את הסבירות למצוא בו רעלים קטליטיים - תרכובות גופרית,כְּלוֹר. גם הדרישות לזרז גדלו באופן משמעותי. אם קודם לכן הוא הופק על ידי המסת תחמוצות ברזל (אבנית), הוספת תחמוצות מגנזיום וסידן, כעת תחמוצת הקובלט ממלאת את התפקיד של מפעיל חדש.
חמצון אמוניה
מהם המאפיינים של תגובות קטליטיות ולא קטליטיות? דוגמאות לתהליכים התלויים בתוספת של חומרים מסוימים יכולים להיחשב על סמך חמצון של אמוניה:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
תהליך זה אפשרי בטמפרטורה של כ-800°C, כמו גם זרז סלקטיבי. כדי להאיץ את האינטראקציה, נעשה שימוש בפלטינה וסגסוגותיה עם מנגן, ברזל, כרום וקובלט. נכון לעכשיו, הזרז התעשייתי העיקרי הוא תערובת של פלטינה עם רודיום ופלדיום. גישה זו אפשרה להוזיל משמעותית את עלות התהליך.
פירוק מים
בהתחשב במשוואות של תגובות קטליטיות, אי אפשר להתעלם מהתגובה של קבלת חמצן גזי ומימן על ידי אלקטרוליזה במים. התהליך כרוך בעלויות אנרגיה משמעותיות, ולכן נעשה בו שימוש נדיר בקנה מידה תעשייתי.
מתכת פלטינה בגודל חלקיקים של כ-5-10 ננומטר (ננו-צבירים) פועלת כמאיץ אופטימלי לתהליך כזה. הכנסת חומר כזה מאיצה את פירוק המים ב-20-30 אחוזים. יתרונות נוספים כוללים את היציבות של זרז פחמן חד חמצני פלטינה.
בשנת 2010צוות של מדענים אמריקאים קיבל זרז זול שמפחית את צריכת האנרגיה לאלקטרוליזה של מים. הם הפכו לתרכובת של ניקל ובור, שעלותם נמוכה משמעותית מפלטינה. הזרז בורון-ניקל זכה להערכה בייצור מימן תעשייתי.
סינתזה של יודיד אלומיניום
קבל את המלח הזה על ידי הגיב אבקת אלומיניום עם יוד. טיפה אחת של מים מספיקה כדי לפעול כזרז כדי ליזום תגובה כימית.
ראשית, סרט תחמוצת האלומיניום פועל כמאיץ של התהליך. יוד, המומס במים, יוצר תערובת של חומצות הידרו-יודיות ויוד. החומצה, בתורה, ממיסה את סרט תחמוצת האלומיניום, ופועלת כזרז לתהליך הכימי.
סיכום
בכל שנה, היקף היישום של תהליכים קטליטיים בתחומים שונים של התעשייה המודרנית הולך וגדל. מבוקשים זרזים המאפשרים לנטרל חומרים מסוכנים לסביבה. גם תפקידן של תרכובות הנחוצות לייצור פחמימנים סינתטיים מפחם וגז הולך וגדל. טכנולוגיות חדשות עוזרות להפחית את עלויות האנרגיה בייצור תעשייתי של חומרים שונים.
הודות לקטליזה, ניתן להשיג תרכובות פולימריות, מוצרים בעלי תכונות יקרות ערך, לחדש טכנולוגיות להמרת דלק לאנרגיה חשמלית, לסנתז חומרים הדרושים לחיי אדם ופעילויות.
